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有關光(光度學)的幾個基本概念0、前言經常發(fā)現(xiàn)一些愛好者對對光度學的一些基本概念比較模糊,比如到底什么是亮度?衡量亮度的單位是什么?如何測量亮度?本文將試圖以不失嚴格性的情況下盡量通俗的回答這些問題,因此,文中列舉了大量的例子,同時給出四個量之間的關系和轉換算法,這也是大多數(shù)光學書里所沒有的。光度學與光相關的常用量有4個:發(fā)光強度、光通量、照度、亮度。這4個量盡管是相關的,但為不同的,不能相混。正像壓力、重力、壓強、質量是不同的物理量一樣。圖:光度學測量儀器1、發(fā)光強度(I、Intensity),單位坎德拉,即cd。定義:光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(度),解釋:發(fā)光強度是針對點光源而言的,或者發(fā)光體的大小與照射距離相比比較小的場合。這個量是表明發(fā)光體在空間發(fā)射的會聚能力的??梢哉f,發(fā)光強度就是描述了光源到底有多''亮〃,因為它是光功率與會聚能力的一個共同的描述。發(fā)光強度越大,光源看起來就越亮,同時在相同條件下被該光源照射后的物體也就越亮,因此,早些時候描述手電都用這個參數(shù)?,F(xiàn)在LED也用這個單位來描述,比如某LED是15000的,單位是med,1000mcd=1cd,因此15000mcd就是15cd。之所以LED用毫cd(mcd)而不直接用cd來表示,是因為以前最早LED比較暗,比如1984年標準5mm的LED其發(fā)光強度才0.005cd,因此才用mcd表示,現(xiàn)在LED都很厲害了,但還是沿用原來的說法。

用發(fā)光強度來表示''亮度〃的缺點是,如果管芯完全一樣的兩個LED,會聚程度好的發(fā)光強度就高。因此,購買LED的時候不要一味追求高I值,還要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的發(fā)射效率來達到,而是把鏡頭加長照射角度變窄來實現(xiàn)的,這盡管對LED手電有用,但可觀察角度也受限。另外,同樣的管芯LED,直徑5mm的I值就比3mm的大一倍多,但只有直徑10mm的1/4,因為透鏡越大會聚特性就越好。之所以用發(fā)光強度來表示手電或LED,是因為在相同距離下對被照射地的照度是與這個成正比的。特別的說,距離1m的lx就是cd值。但是,很多場合下我們需要照射面積大一些,所以只用發(fā)光強度這一特性還不能全面反應手電的能力。比如,同樣的筒身,換個大頭(大反光杯)則I值馬上增大許多。因此,很多情況下我們用光通量(單位流明,見下)來表示手電了。以上我們說''亮〃和''亮度〃時帶了引號,是因為這是我們常規(guī)說的亮度,并非光度學嚴格意義上的亮度,這一單位后面會展開。常見光源發(fā)光強度(cd):太陽,2.8E27高亮手電,100005mm超高亮LED,15BeamIntensity圖:LED的發(fā)光強度的測量,測量值不能轉換成光通量Im。BeamIntensityBeamintensity(W/sr,cd)samplesonl*thepeakofthebeam^andcannotbeconvertedtototalfluxunitsasinthEabovemeasurementgeometry?2、光通量(F,Flux),單位流明,即lm。定義:光源在單位時間內發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量解釋:同樣,這個量是對光源而言,是描述光源發(fā)光總量的大小的,與光功率等價。光源的光通量越大,則發(fā)出的光線越多對于各向同性的光(即光源的光線向四面八方以相同的密度發(fā)射),則F=4nh也就是說,若光源的I為1cd,則總光通量為4n=12.56Im。與力學的單位比較,光通量相當于壓力,而發(fā)光強度相當于壓強。要想被照射點看起來更亮,我們不僅要提高光通量,而且要增大會聚的手段,實際上就是減少面積,這樣才能得到更大的強度。要知道,光通量也是人為量,對于其它動物可能就不一樣的,更不是完全自然的東西,因為這種定義完全是根據(jù)人眼對光的響應而來的。人眼對不同顏色的光的感覺是不同的,此感覺決定了光通量與光功率的換算關系。對于人眼最敏感的555nm的黃綠光,1W=683Im,也就是說,1W的功率全部轉換成波長為555nm的光,為683流明。這個是最大的光轉換效率,也是定標值,因為人眼對555nm

的光最敏感。對于其它顏色的光,比如650nm的紅色,1W的光僅相當于73流明,這是因為人眼對紅光不敏感的原因。對于白色光,要看情況了,因為很多不同的光譜結構的光都是白色的。例如LED的白光、電視上的白光以及日光就差別很大,光譜不同。至于電光源的發(fā)光效率,是另外一個相關的話題,是說1W的電功率到底能轉化成多少光通量。如果全部轉換成555nm的光,那就是每瓦683流明。但如果有一半轉換成555nm的光,另一半變成熱量損失了,那效率就是每瓦341.5流明。白熾燈能達到1W=20Im就很不錯了,其余的都成為熱量或紅外線了。測量一個不規(guī)則發(fā)光體的光通量,要用到積分球,比較專業(yè)而復雜。常見發(fā)光的大致效率(流明/瓦)白熾燈,15白色LED,20日光燈,50太陽,94鈉燈,120圖:人眼對不同顏色光的相對響應曲線,主線為正常的明視覺,左邊的曲線是暗視覺曲線(比較暗的場合下)1-(制)0.1-0.C1-1e-3-1e-4-400 500 600700(nm)1e-5-400 500 600700(nm)Fig.2.3CIEPhutopieardScatopicsensitivitycurves.圖:用積分球測量LED的光通量

LEDMeasurementTotalFlux&MeanSphericalIntensity圖:典型白色LED發(fā)光光譜1rAV/\JV7.I.0(180.60.40.2550 500G5O700 753 000U.U350 ^00 450 500WcvcIongLh(nm圖:典型白色LED發(fā)光光譜1rAV/\JV7.I.0(180.60.40.2550 500G5O700 753 000U.U350 ^00 450 500WcvcIongLh(nm)3、光照度(E,Illuminance),單位勒克斯即lx(以前叫l(wèi)ux)。定義:1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產生的光照度解釋:光照度是對被照地點而言的,但又與被照射物體無關。一個流明的光,均勻射到1m2的物體上,照度就是1lx。照度的測量,用照度表,或者叫勒克斯表、lux表。事實上,照度是最容易測量的了(相對其它三個量),照度表很便宜就可以買到(幾百元)。為了保護眼睛便于生活和工作,在不同場所下到底要多大的照度都有規(guī)定,例如機房不得低于200lx。陽光下的照度是自然界里面很大的也很常見的了,為11萬lx左右(自己實測)。我剛才測量了一下,房間是3.8mx6.5m,有12個20W的日光燈管,桌面照度為400勒克司。常見照度(勒克司):陽光直射(正午)下,110,000陰天室外,1000商場內,500陰天有窗室內,100普通房間燈光下,100滿月照射下,0.2圖:常見照度計4、亮度(L,Luminance),單位尼特,即nt。定義:單位光源面積在法線方向上,單位立體角內所發(fā)出的光流解釋:這個是最容易被誤解的概念了。亮度是針對光源而言,而且不是對點光源,是對面光源而言的。無論是主動發(fā)光的還是被動(反射)發(fā)光的。亮度是一塊比較小的面積看起來到底有多''亮〃的意思。這個多''亮”,與取多少面積無關,但為了均勻,我們把面積取得比較小,因此才會出現(xiàn)''這一點的亮度〃這樣的說法。事實上,點光源是沒有亮度概念的。另外,發(fā)光面的亮度與距離無關,但與觀察者的方向有關。說一個手電很“亮〃,并不是說該手電的亮度高(因為手電是沒有亮度概念的),而是說其發(fā)光強度大,或者是說被它照射的物體亮。說一個星星(點光源)很亮,并非是說其亮度高,而是說其星等高而已。亮度不僅取決于光源的光通量,更取決于等價發(fā)光面積和發(fā)射的會聚程度。比如激光指示器,盡管其功率很小,但可會聚程度非常高,因此亮度非常高。常見發(fā)光體的亮度(尼特):紅色激光指示器,20,000,000,000太陽表面,2,000,000,000白熾燈燈絲,10,000,000陽光下的白紙,30,000人眼能習慣的亮度,3,000滿月表面,2,500人眼能比較好的分辨出顏色的亮度,1滿月下的白紙,0.07無月夜空,0.0001圖:兩款攝影用測光表,可以測量亮度L-508&L?508UiZoomMaster5、一個綜合計算的例子。一個普通40瓦的白熾燈泡,其發(fā)光效率大約是每瓦10流明,因此可以發(fā)出400流明的光。我們可以認為燈泡在空間上發(fā)光是均勻的,那么距離該燈泡1米處,其照度為400/12.56=32勒克司。其中12.56=4n,就是半徑1米的球體的表面積(已經假設400流明的光是均勻分布在這個球體上的)。再假設被照射物體是某種綠色漫反射的,反射率是15%,那么,這個綠色物體被照射后就成為被動發(fā)光的,其表面亮度是15%*32/n=1.5尼特。圖:某公司的光度測量儀器,高靈敏、高準確、多用途。IL1400Radiometer/PhotometerIL1400Radiometer/Photometer6、Q&A問1、如何把LED的光會聚到一點?答1,這是不可能的。光學上有個定律,叫做像的亮度永遠不大于光源的亮度。LED是有發(fā)光面積的,因此有亮度,要是把全部或者大部分光會聚成很小的區(qū)域,其亮度就超過LED本身的亮度了,因此是不可能的。為了盡可能的會聚,只能增大反光碗/聚光鏡的尺度。用組合透鏡或者其它辦法無濟于事。問2,如果有一個電光源,可以把全部的電功率轉化成白色的可見光,理論上的效率有多高呢?答2,上面已經說過,要根據(jù)白色光的光譜而定。對于太陽光來講,為94流明/瓦。CIE1931色度系統(tǒng)的光效是很差的,因為紅色選擇了700nm的長波。相比之下,CRT電視或者是LED電視的光效就高得多,大約為240流明/瓦。問3,照度和被照物體的亮度有什么關系?答3,亮度=反射率*照度/n問4,激光為什么亮度咼?答4,激光是在兩端嚴格平行的諧振腔內多次諧振而發(fā)射出來的,因此平行度非常高,發(fā)散角非常小。又因為亮度是單位立體角內所發(fā)出的光流,因此作為分母的立體角度就很小,亮度自然就高了。高亮度的激光體現(xiàn)在可以傳播非常遠而不發(fā)散,或者在近處可以會聚成非常小的光斑。問5,如何測量手電或者LED的發(fā)光強度?答5,在黑暗中把照度表的探頭放到地上,距離1米處的把手電或LED向下照射測得照度的勒克司值,就是其發(fā)光強度的cd值。問6,如何用照度計測量亮度?答6,亮度計和照度計是兩個東西,不能直接替代的。亮度計是測量發(fā)光體的亮度的,而照度計是測量被照射地點的照度的。但是,如果想知道比較大一些面積的發(fā)光體比如燈箱的亮度,同時這個物體觸手可得,那么可以用照度計的探頭直接貼在發(fā)光體上,讀出勒克司值后再乘上一個系數(shù),就是亮度的尼特值。問7,如何測量一個燈泡的發(fā)光效率?答7,可以用照度表,黑天在室外找一個相對較暗且空曠的地點,需要一個比較穩(wěn)定的電源和照度表??諘绲哪康氖遣灰蟹瓷涔庹丈涞秸斩缺砩?,因此測試時身體盡量遠離燈泡和照度表,照度表表頭距離燈泡中心1m處測得照度值為巳則效率=4*n*E/N結果單位是流明/瓦,其中N為燈泡功率例如燈泡為N=40W,讀數(shù)為E=35.0lx,那么效率就是12.56*35/40=11流明/瓦圖:激光由于等效發(fā)光點小、發(fā)散小,因此亮度非常高

圖文解析LED路燈光效定義國內很多LED路燈廠家在技術參數(shù)說明上,為了宣稱自己產品的高光效,往往把芯片的初始光通除以光源的消耗電功率得出比值,作為產品高光效的數(shù)據(jù)。其實這樣做是混淆概念的。為了讓大家明白,下面我把這兩個概念解釋一下:1.初始光通量(Initialluminousflux)是每單位時間到達、離開或通過曲面的光能數(shù)量,單位:流明(lm)。光通量通常用①來表示。2.實際光通量(Actualluminousflux)是指打開照明設備時,光能從光源發(fā)出,穿越照明設備(如透鏡或燈罩等),直到它到達需要它的工作平面為止的光能數(shù)量。我們稱到達工作平面的光通量為實際光通量。通過以上兩點的介紹,可以知道,實際光通量的數(shù)值要小于初始光通量。見下圖。透鏡燈蚤善透鏡燈蚤善由光通的定義,我們緊接著引出另一個重要的概念:光效。光效(Efficacy)是光源發(fā)出的總光通量與該光源消耗的電功率的比值,單位:流明/瓦(lm/w)。因有初始光通量與實際光通量兩種數(shù)據(jù),所以光效也就有了初始光效與實際光效兩種不同的數(shù)據(jù)。我們知道,''十城萬盞工程〃之所以大力推廣LED路燈,完全是節(jié)能減碳的需要。芯片的初始光通量經過透鏡燈罩,到達路面能為行人車輛起照明作用的,也就是實際光通量。我們需要的是由實際光通量帶來的高光效,并非需要初始光通量帶來的高光效?,F(xiàn)在LED路燈行業(yè),盲目的推廣初始光通量的高光效,很多廠家在這里面也起到了推波助瀾的作用。某些商家打出了120lm/w的高光效LED路燈,世界第一光效LED路燈等宣傳口號。導致這種局面出現(xiàn)的原因,正是由于國家或行業(yè)的統(tǒng)一標準未制定,相關的檢測標準未實施。另外,雖然有些地方出臺了地方標準,譬如廣東的DB44標準,深圳LED規(guī)范等等,但是,標準并不統(tǒng)一。就拿DB44來說,規(guī)定對于適用在高速主干道上的LED路燈,在4000K~6500K色溫前提下,I類標準是不得小于78lm/w;深圳規(guī)范定義初始光效最高不得小于60lm/w,但是深圳規(guī)范額外提及能效等級評價標準是:I級能效最低不得小于80lm/w.DB44與深圳規(guī)范都已經按地方的實際情況發(fā)布,可以看出,各地的差異還是比較大的。所以,國家應盡早制定統(tǒng)一的行業(yè)標準,統(tǒng)一各項規(guī)范,這樣,各個地區(qū)才會有章可循。雖然國內對于標準的統(tǒng)一尚在研討,但是國外在2009年12月3日經過發(fā)布三次草案后,美國能源部DOE出臺了能源之星LED燈具標準的最終版本,要求于2010年8月31日生效。為此,我們翻閱了大量的資料進行研讀。美國能源部DOE在2009年7月1日發(fā)布的關于三種SSL燈具性能標準的第二稿草案,指出其他指標尚不能充分測量出燈具的能效。因此草案提出了一種新的度量指標——特定目標效能FTE(FittedTargetEfficacy)。并要求戶外道路照明燈具最低的光輸出要達到1000Im(初始光通量)。FTE將''目標照亮區(qū)域〃作為研究對象。因此,F(xiàn)TE就有了兩個關鍵假定:1■矩形分布可覆蓋最大區(qū)域,比圓形分布更加有效。見下圖。2■白色圓圈是光源,綠色部分是目標照明區(qū)域被有效照亮的區(qū)域

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